探索LPC1311/13/42/43：32位ARM Cortex - M3微控制器的卓越性能

在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，高性能、低功耗的微控制器一直是工程師們追求的目標(biāo)。NXP的LPC1311/13/42/43系列32位ARM Cortex - M3微控制器，憑借其高度集成和低功耗的特性，成為了眾多嵌入式項(xiàng)目的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下這款微控制器的特點(diǎn)、功能以及應(yīng)用場景。

文件下載：LPC1343FHN33,518.pdf

一、概述

LPC1311/13/42/43系列微控制器基于ARM Cortex - M3內(nèi)核，專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，具有高度集成和低功耗的特點(diǎn)。該系列微控制器的CPU頻率最高可達(dá)72 MHz，采用3級(jí)流水線和哈佛架構(gòu)，擁有獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線，以及用于外設(shè)的第三條總線。此外，它還包含一個(gè)內(nèi)部預(yù)取單元，支持推測分支。

該系列由LPC1300系列（LPC1311/13/42/43）和LPC1300L系列（LPC1311/01和LPC1313/01）組成。LPC1300L系列在LPC1300系列的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些增強(qiáng)，如更低的功耗模式、四級(jí)BOD強(qiáng)制復(fù)位、第二個(gè)SSP控制器（僅LPC1313FBD48/01）、窗口看門狗定時(shí)器（WWDT）等。

二、特性與優(yōu)勢(shì)

1. 強(qiáng)大的處理器

• 高性能內(nèi)核：采用ARM Cortex - M3處理器，運(yùn)行頻率最高可達(dá)72 MHz，具備Thumb - 2指令集、低中斷延遲、硬件乘除等特性，能夠提供高效的處理能力。
• 嵌套向量中斷控制器（NVIC）：集成了NVIC，支持多達(dá)17個(gè)向量中斷，并且多達(dá)40個(gè)GPIO輸入可作為NVIC向量，提供了靈活的中斷處理能力。

2. 豐富的存儲(chǔ)資源

• 閃存：擁有32 kB（LPC1343/13）、16 kB（LPC1342）或8 kB（LPC1311）的片上閃存編程內(nèi)存，可滿足不同應(yīng)用的代碼存儲(chǔ)需求。
• SRAM：配備8 kB（LPC1343/13）或4 kB（LPC1342/11）的SRAM，為數(shù)據(jù)處理提供了足夠的空間。

3. 靈活的編程方式

支持系統(tǒng)內(nèi)編程（ISP）和應(yīng)用內(nèi)編程（IAP），可通過片上引導(dǎo)加載程序軟件實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)方式可選擇UART或USB（僅LPC1342/43支持USB），并且LPC1342/43還具備USB MSC和HID片上驅(qū)動(dòng)。

4. 多樣的串行接口

• USB 2.0：僅LPC1342/43支持，具備全速設(shè)備控制器和片上PHY，支持12 Mbit/s的數(shù)據(jù)交換。
• UART：具有分?jǐn)?shù)波特率生成、調(diào)制解調(diào)器、內(nèi)部FIFO和RS - 485/EIA - 485支持，最高數(shù)據(jù)比特率可達(dá)4.5 MBit/s。
• SSP：支持SSP、4線SSI或Microwire總線，最高速度可達(dá)36 Mbit/s（主模式）或6 Mbit/s（從模式）。LPC1313FBD48/01還額外配備一個(gè)SSP控制器。
• I2C：支持完整的I2C總線規(guī)范和Fast - mode Plus，數(shù)據(jù)速率可達(dá)1 Mbit/s，具備多地址識(shí)別和監(jiān)控模式。

5. 其他外設(shè)

• GPIO：多達(dá)42個(gè)通用I/O引腳，可配置上拉/下拉電阻，支持邊緣和電平敏感中斷。
• 定時(shí)器：包含四個(gè)通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，共有四個(gè)捕獲輸入和13個(gè)匹配輸出。
• 看門狗定時(shí)器：標(biāo)準(zhǔn)看門狗定時(shí)器（WDT）和窗口看門狗定時(shí)器（WWDT，僅LPC1311/01和LPC1313/01），可確保系統(tǒng)的可靠性。
• 系統(tǒng)滴答定時(shí)器：用于產(chǎn)生固定時(shí)間間隔的中斷。
• ADC：10位逐次逼近型ADC，具有8個(gè)通道，輸入范圍為0 V至VDD。

6. 低功耗設(shè)計(jì)

支持睡眠、深度睡眠和深度掉電三種低功耗模式，通過集成的電源管理單元（PMU）和電源配置文件，可根據(jù)應(yīng)用需求優(yōu)化性能和功耗。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

LPC1311/13/42/43系列微控制器適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，如電表、照明、報(bào)警系統(tǒng)和白色家電等。其高性能、低功耗和豐富的外設(shè)接口，能夠滿足不同應(yīng)用的需求。

四、訂購信息

該系列微控制器提供48引腳LQFP封裝和33引腳HVQFN封裝，用戶可根據(jù)具體需求選擇不同的型號(hào)和封裝。

五、功能描述

1. 架構(gòu)概述

ARM Cortex - M3包含三條AHB - Lite總線：系統(tǒng)總線、I - code總線和D - code總線。I - code和D - code核心總線比系統(tǒng)總線更快，可實(shí)現(xiàn)并發(fā)操作，提高系統(tǒng)性能。

2. 內(nèi)存映射

微控制器包含多個(gè)不同的內(nèi)存區(qū)域，包括AHB外設(shè)區(qū)域、APB外設(shè)區(qū)域、閃存、SRAM等。中斷向量區(qū)域支持地址重映射，方便用戶進(jìn)行內(nèi)存管理。

3. 嵌套向量中斷控制器（NVIC）

NVIC是Cortex - M3的重要組成部分，可控制系統(tǒng)異常和外設(shè)中斷，支持8個(gè)可編程中斷優(yōu)先級(jí)級(jí)別，具備可重定位向量表和軟件中斷生成功能。

4. IOCONFIG塊

IOCONFIG塊允許微控制器的選定引腳具有多種功能，通過配置寄存器控制多路復(fù)用器，實(shí)現(xiàn)引腳與片上外設(shè)的連接。

5. 快速通用并行I/O

未連接到特定外設(shè)功能的引腳由GPIO寄存器控制，可動(dòng)態(tài)配置為輸入或輸出。GPIO塊是專用的AHB外設(shè)，可實(shí)現(xiàn)最快的I/O時(shí)序。

6. USB接口（僅LPC1342/43）

USB接口是設(shè)備控制器，具備片上PHY，支持全速USB設(shè)備功能，可實(shí)現(xiàn)12 Mbit/s的數(shù)據(jù)交換。

7. 時(shí)鐘和電源控制

• 集成振蕩器：包含系統(tǒng)振蕩器、內(nèi)部RC振蕩器（IRC）和看門狗振蕩器，可根據(jù)應(yīng)用需求選擇不同的時(shí)鐘源。
• PLL：LPC1342/43包含系統(tǒng)PLL和專用的USB PLL，可將輸入時(shí)鐘頻率倍頻至所需的輸出頻率。
• 電源模式：支持睡眠、深度睡眠和深度掉電三種低功耗模式，可通過軟件控制時(shí)鐘源和PLL，優(yōu)化功耗。

8. 系統(tǒng)控制

• 啟動(dòng)邏輯：將外部引腳連接到NVIC中的相應(yīng)中斷，可作為外部中斷引腳，也可用于從深度睡眠模式喚醒芯片。
• 復(fù)位：有RESET引腳、看門狗復(fù)位、上電復(fù)位（POR）和欠壓檢測（BOD）電路四種復(fù)位源。
• 欠壓檢測：可監(jiān)測VDD引腳的電壓，當(dāng)電壓低于選定的閾值時(shí)，可產(chǎn)生中斷信號(hào)或強(qiáng)制復(fù)位。
• 代碼安全：支持不同級(jí)別的代碼讀取保護(hù)（CRP），可限制對(duì)片上閃存和串行線調(diào)試器（SWD）、系統(tǒng)內(nèi)編程（ISP）的訪問。
• 引導(dǎo)加載程序：控制復(fù)位后的初始操作，可執(zhí)行ISP命令處理程序或用戶應(yīng)用代碼，也可通過USB對(duì)閃存進(jìn)行編程。

六、電氣特性

1. 限制值

包括電源電壓、輸入電壓、供應(yīng)電流等參數(shù)的限制范圍，確保微控制器在安全的工作條件下運(yùn)行。

2. 靜態(tài)特性

詳細(xì)描述了不同工作模式下的電源消耗、輸入輸出電流和電壓等參數(shù)，為電路設(shè)計(jì)提供了參考。

3. 動(dòng)態(tài)特性

包括電源上升斜坡條件、閃存特性、外部時(shí)鐘、內(nèi)部振蕩器、I/O引腳、I2C總線、SSP接口和USB接口等的動(dòng)態(tài)特性，有助于工程師進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化。

七、應(yīng)用信息

1. USB接口解決方案

提供了自供電設(shè)備和總線供電設(shè)備的USB接口建議解決方案，方便用戶進(jìn)行USB接口設(shè)計(jì)。

2. XTAL輸入

介紹了片上振蕩器的輸入電壓限制和外部組件的選擇，以及在不同模式下的操作建議。

3. PCB布局指南

給出了晶體連接和負(fù)載電容的布局建議，以減少噪聲和寄生效應(yīng)。

4. 標(biāo)準(zhǔn)I/O墊配置

展示了標(biāo)準(zhǔn)I/O引腳的可能模式，包括數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)、數(shù)字輸入（上拉/下拉/中繼模式）和模擬輸入。

5. 復(fù)位墊配置

介紹了復(fù)位引腳的配置，包括ESD保護(hù)和20 ns RC引腳毛刺濾波器。

6. ADC使用注意事項(xiàng)

提供了在噪聲環(huán)境中提高ADC性能的建議，如縮短ADC輸入走線、屏蔽數(shù)字信號(hào)和濾波電源等。

7. 電磁兼容性（EMC）

給出了LPC1343FBD48的輻射發(fā)射測量結(jié)果，幫助工程師評(píng)估微控制器的電磁兼容性。

八、封裝與焊接

1. 封裝

提供了LQFP48和HVQFN33兩種封裝的詳細(xì)尺寸和引腳信息。

2. 焊接

給出了LQFP48和HVQFN33封裝的回流焊接腳印信息，方便工程師進(jìn)行焊接設(shè)計(jì)。

九、總結(jié)

LPC1311/13/42/43系列32位ARM Cortex - M3微控制器以其高性能、低功耗、豐富的外設(shè)接口和靈活的編程方式，為嵌入式應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。無論是在電表、照明、報(bào)警系統(tǒng)還是白色家電等領(lǐng)域，都能發(fā)揮出其卓越的性能。作為電子工程師，我們可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，充分利用該系列微控制器的特性，設(shè)計(jì)出更加高效、可靠的嵌入式系統(tǒng)。你在使用這款微控制器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。